8.3. Твердость металлов

Твердость - свойство поверхности слоя материала оказывать сопротивление вне-дрению другого тела, т.е. упругой и пластической деформации или разрушению при этом.

Существующие методы измерения твердости значительно отличаются по принципу:

• царапаньем - более твердое царапает более мягкое, наоборот невозможно - 10-балльная шкала твердости Мооса, где за 1 взята твердость талька, за 10 - алмаза, другие минералы и материалы лежат в промежутке, например, твердость стали примерно 5-6 единиц.

• вдавливанием твердого индентора (наконечника) - здесь много методов, различающихся друг от друга по форме применяемого индентора, по условиям приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости.

Измерение твердости в соответствии с определенными ГОСТами. Общим обозначени-ем численного значения твердости служит латинская буква Н (от слова "Hardness" -"твердость"). Дополнительный индекс дает возможность отметить способ определения твер-дости :

НВ - твердость по Бринеллю,

НR - твердость по Рокуэллу ( так НRА - твердость по Рокуэллу по шкале А,

НRВ - по шкале В, НRС - по шкале С),

НV - твердость по Виккерсу,

Н , Н , Н - микротвердость в зависимости от формы алмазного наконечника.

Определение твердости по Бринеллю. При испытаниях по Бринеллю на специальном приборе с гидравлическим нагружающим устройством, позволяющим достичь нагрузки Р в несколько тонн, в поверхность испытуемого материала вдавливается шарик диаметром d = 10 мм из твердого сплава, после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка D. Твер-дость по Бринеллю НВ рассчитывается по формуле, аналогичной формуле прочности (на-грузка P на площадь отпечатка S) (рис. 36):

HB = Р /S = 2 P / ( D ( D - (d2 - D2)1/2 ) , кгс / мм2

где нагрузка выражена в кгс, а диаметры в мм.

При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10мм и F = 2943 (3000) Н (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D = 10мм и F = 9800 (1000) Н (кгс), а при испытании мягких металлов (сурьма, свинец и их сплавов) D = 10мм и F = 2450 (250) Н (кгс).

Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Между временным сопротивлением и числом твердости НВ существует следующая зависимость:

• для стали  = 0,34 НВ,

• для медных сплавов  = 0,45 НВ,

• для алюминиевых  = 0,35 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуют применять для стали с твердостью более 450 НВ, а цветных металлов – более 200 НВ.

Определение твердости по Роквеллу. Твердость по Рокуэллу (Rockwell) HR определя-ется по глубине отпечатка, а точнее разностью между остаточной глубиной его внедрения после снятия основной нагрузки P1 при сохранении предварительной нагрузки P0 и глуби-ной проникновения индентора при предварительной нагрузке P0 .

Твердость по Рокуэллу выражается в условных единицах. Индентором может быть алмазный конус с углом при вершине 1200 или стальной шарик диаметром 1,588 мм, т.е. 1/16 дюйма.

Общая нагрузка Р при определении твердости HR

HRА по шкале А - алмазный конус, Р = 588 Н (60 кгс )

HRВ по шкале В индентор - стальной шарик , Р = 980 Н ( 100 кгс),

HRС по шкале С - стальной конус, Р = 1470 Н (150 кгс).

HRА - для испытаний твердых сплавов с твердостью HR>7000.

HRВ - для испытаний цветных металлов и отожженных сталей с твердостью HR<2300,

HRС - для испытания сталей, подвергнутых термической или химико-термической обработке.

Схема определения твердости по Рокуэллу приведена на рис. 36. Сначала инден-тор нагружается предварительной нагрузкой P0 и при этом внедряется в материал на глубину h0 . Предварительная нагрузка P0 не снимается до конца испытаний. Затем на образец подается общая нагрузка P = P0 + P1 , и индентор погружается на "максимальную" глубину h1. После этого дополнительный груз P1 убирается, индентор несколько приподнимается, при этом сохраняется остаточная глубина внедрения h.

Числа твердости по Рокуэллу считывают непосредственно по показателям индикато-ров перемещения. По сравнению с методом Бринелля метод Рокуэлла имеет преимущество в том, что может быть использован и при достаточно тонких образцах ( > 0,4 мм ). Однако надо указать на его условность, невозможность повторной проверки полученных результатов, отсутствие единой шкалы твердости (HR = 0 не имеет здесь физического смысла нулевой твердости, возможны и отрицательные значения HR ), что является недостатками метода.

Эмпирически (опытным путем) установлено, что числа твердости по Бринеллю и по Рокуэллу соотносятся примерно как 10:1.

Твердость по Виккерсу. При испытаниях по Виккерсу в поверхность испытуемого материала вдавливается алмазная пирамидка, после снятия нагрузки измеряется диагональ отпечатка (рис. 36).

Нагрузка F (P) может меняться от 9,8 (1) до 980 Н ( 100 кгс).

Твердость по Виккерсу

HV = 0,189 F / d2 ,

если выражена в Н, и

HV = 1,854 F / d2 ,

если выражена в кгс

Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких по-верхностных слоев, имеющих высокую твердость. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют по специальным таблицам по измеренной величине d.

Микротвердость. При определении микротвердости пользуются специальным мик-роскопом с алмазным микроиндентором. В то время как другие методы определения твер-дости оценивают твердость по довольно большой площади контакта, по микротвердости можно определить твердость разных фазовых составляющих сплава, отдельных зерен ме-талла или даже определить твердость в разных точках внутри одного зерна.

Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

Н = 0,189 F / d2 , если выражена в Н.

Распространенность испытаний на твердость объясняется простотой и быстротой их проведения, отсутствием необходимости разрушения испытываемых объектов, возмож-ностью испытаний материалов различной пластичности и небольших объемов, иногда воз-можностью сопоставления характеристик твердости с данными других испытаний.

Так, твердость конструкционных сталей и деформируемых цветных сплавов имеет практически линейную связь с их прочностью. Для инструментальных сталей при повыше-нии содержания углерода твердость повышается, но прочность уменьшается вследствие ох-рупчивания.

Твердость прямо связана с износостойкостью материала. Твердость режущей кромки определяет работоспособность резцов, ножей, сверл и других металлорежущих изделий.

Поэтому по результатам испытаний на твердость можно судить об эксплуатационной пригодности инструментов, оценить качество термообработки, косвенно определить такие характеристики материалов, как условный предел текучести, временное сопротивление (предел прочности) и модуль упругости первого рода.